BAND 14 | SPEKTRUM DER LICHTTECHNIK cHrISTIAN HErboLD ENTWICKLUNG UND HERSTELLUNG NATURÄHNLICH VERZWEIGTER KÜHLKÖRPER FÜR LED-SYSTEME Christian Herbold Entwicklung und Herstellung naturähnlich verzweigter Kühlkörper für LED-Systeme SpEKtrum DEr LicHttEcHniK BanD 14 Lichttechnisches Institut Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Entwicklung und Herstellung naturähnlich verzweigter Kühlkörper für LED-Systeme von Christian Herbold Print on Demand 2017 – Gedruckt auf FSC-zertifiziertem Papier ISSN 2195-1152 ISBN 978-3-7315-0635-5 DOI 10.5445/KSP/1000066146 This document – excluding the cover, pictures and graphs – is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International License (CC BY-SA 4.0): https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en The cover page is licensed under a Creative Commons Attribution-No Derivatives 4.0 International License (CC BY-ND 4.0): https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/deed.en impressum Karlsruher Institut für Technologie (KIT) KIT Scientific Publishing Straße am Forum 2 D-76131 Karlsruhe KIT Scientific Publishing is a registered trademark of Karlsruhe Institute of Technology. Reprint using the book cover is not allowed. www.ksp.kit.edu Karlsruher institut für technologie Spektrum der Lichttechnik Entwicklung und Herstellung naturähnlich verzweigter Kühlkörper für LED-Systeme Zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs von der KIT-Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Christian Herbold Tag der mündlichen Prüfung: 12. Februar 2016 Referenten: Prof. Dr. Cornelius Neumann Prof.ir. M.A. Ena Voûte I I NHALTSVERZEICHNIS 1 Einleitung .......................................................................................... 1 1.1 Motivation .............................................................................. 2 1.2 Ziel und Aufbau der Arbeit.................................................. 4 2 Grundlagen LED-System................................................................ 7 2.1 Thermisches Management im LED-System ....................... 7 2.1.1 Systemkomponenten.................................................. 8 2.1.2 Temperaturabhängigkeit der LED ......................... 11 2.2 Messungen am LED-System .............................................. 17 2.2.1 Bestimmung der LED-Chiptemperatur ................. 17 2.2.2 Bestimmung optischer Größen ............................... 21 2.3 Thermische Simulationen ................................................... 23 2.4 Wärmetransportmechanismen .......................................... 25 2.4.1 Wärmeleitung ........................................................... 25 2.4.2 Konvektion ................................................................ 29 2.4.3 Wärmestrahlung ....................................................... 31 3 Lösungen aus der Natur ................................................................ 35 3.1 Funktion und Ästhetik im LED-System ........................... 35 3.2 Problemstellung ................................................................... 37 3.3 Bioinspiration ....................................................................... 40 Inhaltsverzeichnis II 3.3.1 Wärmeabfuhr nach dem Vorbild der Natur......... 44 3.4 Lösungen für das LED-System .......................................... 47 3.4.1 Probleme der Wärmeabfuhr ................................... 47 3.4.2 Natürliche Lösungen ............................................... 50 3.4.3 Näherungsmodell im Vergleich ............................. 65 4 Entwurf eines LED-Systems ........................................................ 73 4.1 Entwicklungsvorgaben ....................................................... 74 4.2 Geometrieauslegung ........................................................... 75 4.2.1 Ähnlichkeit und Symmetrie ................................... 76 4.2.2 Art der Verzweigung ............................................... 77 4.2.3 Breite der Äste und Anzahl der Verzweigungen 79 4.2.4 Anzahl der Äste ........................................................ 86 4.2.5 Position der Verzweigungen .................................. 88 4.2.6 Form der Verzweigung ........................................... 92 4.2.7 Kerndurchmesser ..................................................... 96 4.2.8 Höhe ........................................................................... 98 4.2.9 Verzweigte Kühlkörpergeometrie ....................... 100 4.2.10 Nicht Verzweigte Kühlkörpergeometrie ............ 100 4.3 Funktionsintegration......................................................... 102 4.3.1 Formgebung ............................................................ 104 4.3.2 Optisches System ................................................... 106 4.3.3 Kabeldurchführung und LED-Aufnahme .......... 116 4.3.4 Wandstärken und Trennebene ............................. 117 4.4 Erwartete Thermische Leistungsfähigkeit ..................... 119 Inhaltsverzeichnis III 4.5 Großer Bauraum ................................................................ 127 5 Fertigung........................................................................................ 131 5.1 Fertigungsverfahren .......................................................... 131 5.1.1 Druckgießen ............................................................ 132 5.1.2 Feingießen ............................................................... 134 5.1.3 Spritzgießen............................................................. 134 5.2 Pulverspritzgießen............................................................. 137 5.3 Werkstoffe ........................................................................... 139 5.4 Spritzgießwerkzeug........................................................... 144 5.5 Abmusterung ..................................................................... 147 5.5.1 Zylinder ................................................................... 148 5.5.2 Leuchten-Kühlkörper............................................. 152 5.5.3 Entbindern und Sintern ......................................... 155 5.5.4 Nachbearbeitung .................................................... 158 6 Charakterisierung und Bewertung ........................................... 161 6.1 Geometrie............................................................................ 161 6.1.1 Zylinderförmige Kühlkörper ................................ 162 6.1.2 Leuchten-Kühlkörper............................................. 165 6.2 Thermische Leistungsfähigkeit ........................................ 167 6.2.1 Zylinderförmige Kühlkörper ................................ 170 6.2.2 Leuchten-Kühlkörper............................................. 172 6.3 Optische Leistungsfähigkeit ............................................. 175 6.4 Erscheinungsbild und Herstellungsverfahren ...................................................... 181 Inhaltsverzeichnis IV 6.5 Kosten ................................................................................. 185 6.6 Zusammenfassende Bewertung ...................................... 191 7 Zusammenfassung und Ausblick ............................................. 195 I Anhang .......................................................................................... 201 Anhang A: Zeichnungen ........................................................ 201 Anhang B: Strukturfunktionen ............................................. 204 Anhang C: Lichtstärkeverteilungskurven............................ 208 II Veröffentlichungen ..................................................................... 209 III Betreute Arbeiten......................................................................... 213 IV Danksagung .................................................................................. 215 V Literaturverzeichnis .................................................................... 217 1 Kapitel 1 Einleitung Im Jahr 1927 veröffentlichte Oleg Losev die erste wissenschaftliche Arbeit zum Thema Lumineszenzdioden [1]. Er untersuchte darin das 20 Jahre zuvor von Henry J. Round beschriebene Phänomen der Elektrolumineszenz [2] und sah bereits vielfältige Anwendungsmög- lichkeiten dieser neuen Technologie, zum Beispiel zum Einsatz in der Telekommunikation. Nick Holonyak erfand 1962 die heute bekannte Leuchtdiode (kurz LED für Light Emitting Diode ) [3], deren Lichtaus- beute seitdem von weniger als 0,1 lmW -1 auf mehr als 100 lmW -1 ge- steigert werden konnte. Zusammen mit der Entwicklung unter- schiedlicher Halbleitermaterialien und Leuchtstoffe werden dadurch die Einsatzbereiche der LED, die Losev sah, heute vor allem durch Anwendungen in der Beleuchtungstechnik ergänzt. Dabei profitiert die LED im Vergleich zu herkömmlichen Technologien, wie Glüh- oder Leuchtstofflampen, vor allem von ihrer hohen Effizienz und lan- gen Lebensdauer und ist deshalb inzwischen unverzichtbar für die Entwicklung ressourcenschonender Beleuchtungslösungen [4]. Einleitung 2 1.1 Motivation Die Effizienz und die Lebensdauer der LED werden entscheidend von den Betriebsbedingungen beeinflusst, bei denen die LED einge- setzt wird. Unabhängig vom verwendeten Halbleitersystem trägt eine geringe Betriebstemperatur zu einer hohen Effizienz und einer langen Lebensdauer bei. Im Gegensatz zu einer geringen Betriebs- temperatur stehen jedoch die Anforderungen moderner Beleuch- tungssysteme gleichzeitig eine hohe Leistung und eine geringe Bau- größe aufzuweisen. Die Entwicklung von leistungsfähigen LED-Sys- temen ist deshalb immer verbunden mit der Frage nach einer hohen Wärmeabfuhr auf kleinem Raum. Ergänzt wird diese technische Fra- gestellung zum einen durch die Frage nach der Herstellbarkeit, zum anderen durch die Notwendigkeit eines ästhetischen Erscheinungs- bilds des LED-Systems. Nur so kann es letztendlich erfolgreich in der Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden (vergleiche [5]). Die Verbindung von hoher technischer Leistungsfähigkeit und ho- hem ästhetischem Wert legt den Blick in die Natur nahe. Dort finden sich Lösungen, die im Laufe der Evolution während vielen Millionen Jahren angepasst wurden und spezifische Aufgaben effizient erfül- len. Gleichzeitig zeigen diese Lösungen immer auch die Schönheit, die die Natur in allen ihren Ausformungen mit sich bringt. Lassen sich Vorbilder aus der Natur für die Wärmeabfuhr in LED-Systemen nutzen, könnten vorteilhafte Lösungen für die Verbindung von Tech- nik und Ästhetik entstehen. Finden sich solche Lösungen, muss die Überführung in ein reales LED-System mit allen notwendigen Kom- Motivation 3 ponenten gelingen, um die Vorteile gewinnbringend nutzen zu kön- nen. Die Berücksichtigung der Herstellungstechnologie ist deshalb ein entscheidender Aspekt bei der Entwicklung der Systeme. Eine be- sondere Herausforderung stellt dabei die Herstellbarkeit natürlich inspirierter Geometrien dar, die in geeigneten Materialien und Stück- zahlen zu fertigen sein müssen. Neben der technischen Funktion muss das Bauteil auch die Anforderungen an das Erscheinungsbild erfüllen und stellt deshalb hohe Ansprüche an die Fertigungsqualität. Diese könnte mit Hilfe eines speziellen Fertigungsverfahrens, des Pulverspritzgießens, erreicht werden. Neben einer großen Freiheit in der Formgebung, bietet diese Technologie die Möglichkeit der Ferti- gung von endkonturnahen Bauteilen mit hoher Oberflächengüte in einer Vielzahl von Materialien wie Metallen und Keramiken. Die me- chanischen und stofflichen Eigenschaften der Bauteile sind dabei ver- gleichbar mit denen konventioneller Metall- und Keramikteile [6]. Das Pulverspritzgießen wird bisher vorwiegend für die Fertigung von kleinen, hochpräzisen Bauteilen in großen Stückzahlen einge- setzt. Der Einsatz dieses Verfahrens bei der Fertigung von Kühlkör- pern für LED-Systeme böte grundsätzlich neue Möglichkeiten für Technik und Design und würde dadurch die Herstellung ästhetischer Bauteile mit natürlicher Formgebung ermöglichen. Gelingt die Nutzung natürlicher Vorbilder für die Wärmeabfuhr von LEDs, deren Umsetzung in ein vollständiges LED-System und letzt- endlich dessen Herstellung, ist zu erwarten, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen die Effizienz und vor allem die Lebens- dauer der LED erhöht werden können und gleichzeitig ein ästhetisch Einleitung 4 hochwertiges Erscheinungsbild entsteht. Für die Anwendung in der Allgemeinbeleuchtung ergäbe sich damit ein außergewöhnliches Produkt, das alle erforderlichen Eigenschaften in sich vereint und in besonderem Maß umsetzt. 1.2 Ziel und Aufbau der Arbeit Die vorliegende Arbeit soll den kompletten Entwicklungsprozess ei- nes von der Natur inspirierten LED-Systems darstellen, das sich gleichermaßen auf dem Gebiet der Technik wie auf dem Gebiet des Designs bewegt. Dabei soll sie zunächst die grundlegende Problem- stellung analysieren und allgemeine Methoden zu deren Lösung be- reitstellen. Anhand der Auslegung eines beispielhaften LED-Systems für die Allgemeinbeleuchtung sollen die allgemeinen Methoden für die spezielle Aufgabenstellung verwendet und unter Berücksichti- gung der Möglichkeiten des Pulverspritzgießens als Fertigungsver- fahren zu einem in großen Stückzahlen herstellbaren LED-System ausentwickelt werden. Die seriennahe Fertigung von Musterteilen soll die Eignung des Herstellungsverfahrens untersuchen und Bau- teile zur messtechnischen Überprüfung der Leistungsfähigkeit lie- fern. Die Bewertung der Leistungsfähigkeit und des Erscheinungs- bilds des gefertigten LED-Systems werden um die Kostenbetrach- tung ergänzt, um die Eignung des Pulverspritzgießens für die Herstellung von LED-Systemen zu bewerten. Ziel und Aufbau der Arbeit 5 Ziel der vorliegenden Arbeit ist es zum einen dem technischen Ent- wickler die Potenziale natürlich verzweigter Strukturen für die Wär- meabfuhr in LED-Systemen aufzuzeigen, ihn bei der Entwicklungs- arbeit zu unterstützten und ihm Hinweise auf einzelne Aspekte des Designs zu geben. Zum anderen soll die vorliegende Arbeit Produkt- designern die technischen Details zur Wärmeabfuhr mit verzweigten Strukturen liefern und ihnen helfen technische Fragestellungen von Anfang an im Produktdesign zu berücksichtigen. So ist es Anspruch der vorliegenden Arbeit, als Schnittstelle zwischen beiden Diszipli- nen zu dienen und Basis für die Entwicklung unterschiedlichster LED-Systeme zu sein. Der Aufbau der vorliegenden Arbeit orientiert sich an der Reihen- folge der Entwicklungsschritte von der Problemstellung bis hin zum seriennah gefertigten LED-System. In 2wird dazu zunächst der grundlegende Aufbau eines LED-Systems im Hinblick auf das ther- mische Management erläutert sowie Grundlagen zu thermischen Si- mulationen, Wärmetransportmechanismen und Messungen thermi- scher und optischer Größen beschrieben, wie sie bei der Systemaus- legung und -bewertung zum Einsatz kommen. Die Problemanalyse und die Lösungen aus der Natur sind Inhalte von Kapitel 3. Zur Beschreibung der Lösungen wird dabei ein Nähe- rungsmodell vorgestellt, das die Leistungsfähigkeit verzweigter Strukturen zur Wärmeabfuhr bewertet. Der Vergleich dieses Nähe- rungsmodells mit genaueren thermischen Simulationen schließt das Kapitel ab und bildet die Grundlage für den Entwurf von verzweig- ten Kühlkörpern in Kapitel 4. Dabei wird die Vorgehensweise für die Einleitung 6 Auslegung einer im Pulverspritzguss herstellbaren, verzweigten Struktur dargestellt, indem die Vorgaben und Einschränkungen aus dem Fertigungsverfahren Berücksichtigung finden (Kapitel 4.2). Ne- ben zylinderförmigen Musterteilen, die den direkten Vergleich zwi- schen verzweigter und nicht verzweigter Geometrie ermöglichen, wird ein vollständiges LED-System entwickelt. Das beinhaltet so- wohl die Auslegung des optischen Systems als auch die Integration weiterer Funktionen in das Bauteil (Kapitel 4.3). Am Ende des Kapi- tels stehen die Geometrie-Daten für die Herstellung der Bauteile zur Verfügung. Das Herstellungsverfahren wird in 5zunächst in Verbin- dung mit den verwendeten Materialien beschrieben, bevor Details zur eigentlichen Fertigung und der Nachbearbeitung der einzelnen Bauteile dargestellt werden. 6beinhaltet die Charakterisierung der hergestellten Bauteile sowohl in Bezug auf die thermische und optische Leistungsfähigkeit als auch auf das erreichte Erscheinungsbild. Daneben werden die Kosten für die Herstellung betrachtet, um das Herstellungsverfahren, genau wie die verzweigten Strukturen, abschließend für die Anwendung für LED-Systeme zu bewerten. Die Arbeit schließt mit Kapitel 7, in dem die Kernaussagen zusam- mengefasst und in einem Ausblick Fragestellungen für zukünftige Arbeiten formuliert werden 7 Kapitel 2 Grundlagen LED-System Je nach Anwendung unterscheiden sich LED-Systeme in der Ausfüh- rung ihrer einzelnen Bauteile. Jedoch werden in jedem LED-System Komponenten mit den gleichen grundlegenden Funktionen verbaut. Dieses Kapitel stellt diese Komponenten vor allem in Bezug auf das thermische Management dar und beschreibt die Temperaturabhän- gigkeit von LEDs. Weiterhin werden thermische und optische Mes- sungen an LED-Systemen, sowie thermische Simulationen erläutert, die zur Entwicklung von LED-Systemen eingesetzt werden. Im Hin- blick auf diese Entwicklung werden im letzten Abschnitt die Wär- metransportmechanismen beschrieben, auf welche in den darauffol- genden Kapiteln bei der Auslegung des thermischen Managements, zurückgegriffen wird. 2.1 Thermisches Management im LED-System Je höher ihre Temperatur, umso stärker sind die negativen Auswir- kungen auf die LED. Die zwingende Voraussetzung für den zuver- lässigen und effizienten Betrieb einer LED ist deshalb der Betrieb mit möglichst geringer Temperatur bei Einhaltung der vorgegebenen Grundlagen LED-System 8 maximalen LED-Temperatur. Insbesondere bei leistungsstarken Sys- temen, in denen eine hohe Verlustleistung anfällt, muss daher ein Großteil der Systemkomponenten mit dem Ziel der Verringerung der LED-Temperatur ausgelegt werden. Diese Komponenten bilden das thermische Management im LED-System, ohne welches ein dauer- hafter Betrieb nicht möglich ist. 2.1.1 Systemkomponenten Allgemein lassen sich LED-Systeme in wenige Hauptbestandteile zerlegen, die in der Regel unabhängig vom Einsatzzweck sind, sei es beispielsweise ein LED-System in der industriellen Prozesstechnik, der automobilen Lichttechnik oder der Allgemeinbeleuchtung 1 . Der wesentliche Unterschied liegt oftmals lediglich in der Ausführung der einzelnen Bauteile und deren Details. Kernbestandteil eines jeden LED-Systems ist die Lichtquelle als sol- che, die meist als gehäuster LED-Chip in das System integriert ist. Durch das Gehäuse wird die mechanische, elektrische und thermi- sche Kontaktierung des LED-Chips vereinfacht und die Möglichkeit geschaffen, die LED mit automatisierten Prozessen der Aufbau- und Verbindungstechnik zu verarbeiten. Durch die Entwicklung hin zu immer kleineren und dichter gepackten Systemen besteht die Not- 1 mit Allgemeinbeleuchtung werden im Folgenden Anwendungen für allgemeine Be- leuchtungsaufgaben im Innenraum bezeichnet, beispielsweise die Wohnraumbe- leuchtung mit vielfältigen Beleuchtungsaufgaben am Ess-, Couch- oder Schreibtisch.